1、2023新苏教版六年级下册科学教材分析STEM学习 节能小屋单元设计意图1.本单元主题的提出建筑节能是关系人类命运的全球性课题。从建筑材料制造、建筑施工，到建筑使用的过程中，要消耗全球大约三分之一的能源，建筑在用能的同时，还向大气排放大量污染物。随着社会的进步，人们迫切需要一种新型的既省料节能又绿色环保的建筑形式，各国普遍开始重视建筑节能。于是，绿色节能建筑应运而生。绿色建筑，又称可持续性建筑、环境友好型建筑，其概念诞生于“绿色设计”阶段，其实体形成于“绿色施工”阶段，其效果体现于建筑实体为社会提供“绿色服务”的时时刻刻。大力发展绿色建筑意义重大。绿色建筑能节约土地、水、材料等物质资源和能量资
2、源，减少废弃物和环境有害物排放，能缓解能源供需矛盾和温室气体排放，改善环境质量，提供更加舒适的生活环境，促进经济又好又快发展。绿色建筑代表了未来居住方向和生产方向，是实施生态教育、技术教育、职业教育的良好载体。绿色建筑的形成必须综合运用各科知识，如理解并充分利用自然规律，选用和开发合适材料，合理安排建筑形态、围合结构节能技术和建造方式等。因此，学习本主题可以使学生有机会综合所学的各方面知识，体验科学技术对个人生活和社会发展的影响，使学生体会到“做”的成功和乐趣，并养成通过“动手做”解决问题的习惯。建筑能耗越来越大，建筑节能成为迫切需求。面对这个社会问题，学生关注度是不够的，只有让学生设身处地认
3、识建筑能耗问题的严峻性，才能产生学习需求。由此本项目依次展开六个学习环节：了解需求，明确问题，前期研究，设计方案，制作改进，评价反思。“节能小屋”属于STEM项目学习单元。它倡导跨学科学习方式，以项目学习、问题解决为导向，将科学、技术、工程、数学有机地融为一体，有利于培养学生的创新能力与综合素养。“节能小屋”让学生在模仿工程师的工作方式中学习，其本质还是学习。通过对已有科学知识的运用和迁移，促进学生建构科学大概念，提升实践能力。因此，教师不要过多纠结于学生做出的节能小屋模型的质量，或者说不要把这一单元上成劳动技术课。受限于小学生的实际情况，他们的知识和能力都有所欠缺，如果过分追求物化成果，可能
4、会出现无视学生实际而刻意拔高要求，强行灌输知识点、训练技能点的情况。本单元重在引导学生经历STEM项目学习的过程，让高阶思维在真实的应用场景中真正开启，从而提升学生解决问题的能力。整个STEM学习过程通过学生所做的“工程笔记”串联起来。2.本单元对课程标准的落实(1)本次STEM项目学习通过阅读、实验、设计、制作、展示等活动，落实课程标准高年段的课程目标。科学知识：了解技术是人们改造周围环境的方法，是人类能力的延伸，工程是依据科学原理设计和制造物品、解决技术应用的难题、创造丰富多彩的人工世界的一系列活动；了解科学技术推动着人类社会的发展和文明进程。科学探究：能基于所学的知识，通过观察、实验、查
5、阅资料、调查、案例分析等方式获取事物的信息。能基于所学的知识，运用分析、比较、推理、概括等方法得出科学探究的结论，判断结论与假设是否一致。能基于所学的知识，采用不同的表述方式，如科学小论文、调查报告等方式，呈现探究的过程与结论；能基于证据质疑并评价别人的探究报告。科学态度：能大胆质疑，从不同视角提出研究思路，采用新的方法、利用新的材料，完成探究、设计与制作，培养创新精神。能接受别人的批评意见，反思、调整自己的探究；在进行多人合作时，愿意沟通交流，综合考虑小组各成员的意见，形成集体的观点。科学、技术、社会与环境：了解科学技术可以减少自然灾害对人类生活的影响；了解在科学研究与技术应用中必须考虑伦理
6、和道德的价值取向。了解人类的好奇和社会的需求是科学技术发展的动力，技术的发展和应用影响着社会发展。认识到人类、动植物、环境的相互影响和相互依存关系，了解地球上的资源是有限的，人类活动会对环境产生正面和负面的影响，自觉采取行动，保护环境。(2)本单元学习内容基于课程标准课程内容中“技术与工程领域”的高年段要求。18.2工程的关键是设计。利用摄影、录像、文字与图案、绘图或实物，表达自己的创意与构想。将自己简单的创意转化为模型或实物。根据现实的需要设计简单器具、生产物品或完成任务。18.3工程设计需要考虑可利用的条件和制约因素，并不断改进和完善。根据设计意图，分析可利用的资源。简单评估完成一个产品或
7、系统的可行性，预想使用效果。从经济效益、社会效益、环境效益等方面评价某个工程设计，并提出改进和完善建议。3.本单元在整套教材中与其他单元的关系4.本单元次级主题的构成及逻辑关系本次STEM项目学习依照工程实践的流程开展活动，具体细化为了解需求、明确问题、前期研究、设计方案、制作改进、评价反思六个环节。在了解需求环节，强调需求来自对现状的不满，利用技术可以改变现状。在明确问题环节，强调目标意识，进一步明确活动任务、具体要求和需要解决的问题。在前期研究环节，强调用查阅资料、实验探究等多种方法找到可能的解决方案。在设计方案环节，强调找到“节能小屋”的最优方案，学会绘制设计简图。在制作改进环节，强调要
8、根据方案制作模型，在改进的过程中及时记录调整点与原因。在评价反思环节，强调对照任务要求，对整个设计和制作过程进行客观公正的回顾反思。整个项目学习强调学生经历一个完整的工程实践过程，培养小组有效分工及合作能力，逐步提升学生的技术与工程素养。单元教学目标经历“节能小屋”从需求到建成的全过程，能够列举并说明STEM项目学习的大致流程。能够梳理回顾已有知识，并将这些知识应用到问题情境中，对解决问题产生作用。能够识别所要解决的问题，能够将各种想法汇集起来，运用一定的策略形成一个完整的建设方案。能够基于测试结果进行评价反思，并联系前期研究、设计方案等环节，作出调整。单元活动框架课时建议4课时。STEM学习
9、节能小屋教材分析1.教学内容首先揭示现实困境，提出绿色建筑的概念，了解人类需求。然后提出“制作节能小屋”的任务，让学生明确这个任务的具体要求及需要解决的问题。接着进入前期研究环节，采用多种方法回顾以往科学课的相关学习内容，运用查阅资料、实验探究等方法对有关技术问题展开前期研究，包括建筑散热途径、节能建筑保温隔热技术、材料保温隔热性能，以及本地区所处地理位置的气候特点，这是后续设计节能小屋需要考虑的相关重要因素。在此基础上，学生进行节能小屋的方案设计、讨论交流形成最佳方案、画出设计示意图。随后让学生依据各自的设计方案，选择合适的材料和工具制作实物模型。最后由学生根据节能小屋节能效果的检测情况，对
10、整个设计和制作过程进行回顾反思。2.教学目标经历“节能小屋”从需求到建成的全过程，能够列举并说明STEM项目学习的大致流程。能够梳理回顾已有知识，并将这些知识应用到问题情境中，对解决问题产生作用。能够识别所要解决的问题，能够将各种想法汇集起来，运用一定的策略形成一个完整的建设方案。能够基于测试结果进行评价反思，并联系前期研究、设计方案等环节，作出调整。3.重点与难点重点：经历STEM项目学习各环节；针对问题进行前期研究；形成节能小屋的设计方案。难点：确定节能小屋的设计方向；在每个设计点上作出决策；基于检测结果开展评价反思。4.教学准备教师材料：“问题小屋”模型、PPT课件、相关视频。学生分组材
11、料：方格绘图纸、2B铅笔、题板、便笺纸、纸板(或手工木板、KT板)、竹条(或桐木条)、太阳隔热膜、保温板(或棉花、泡沫板、海绵)、防晒隔热漆、纸板切割机(或儿童手工锯)、热熔胶枪、剪刀、刻刀、直尺、温度计(酒精温度计、热电偶温度计)、50mL烧杯、水。参考资料超低能耗示范楼节能技术清华大学超低能耗示范楼是我国首个综合了示范、展示、试验功能的绿色建筑。示范楼能源和设备系统采用多项节能措施和可再生能源技术，包括照明和办公设备在内，示范楼单位面积全年总用电量指标为40kWh/m2，仅为北京市高档办公建筑平均总用电量指标的30%。示范楼选用了近十种不同的外围护结构做法，基本的热工性能要求为透光体系部分
12、(玻璃幕墙、保温门窗、采光顶)综合传热系数K1W/(m2K)，太阳能得热系数SHGC0.5，非透光体系部分(保温墙体、屋面)传热系数K0.3W/(m2K)。冬季建筑物的平均热负荷仅为0.7W/m2，最冷月的平均热负荷也只有2.3W/m2，如果考虑室内人员灯光和设备等的发热量，基本可实现冬季零采暖能耗。夏季最热月整个围护结构的平均得热也只有5.2W/m2。由于围护结构导致的建筑耗冷耗热量仅为常规建筑的10%。玻璃幕墙和保温墙体东立面和南立面采用双层皮幕墙及玻璃幕墙加水平或垂直遮阳两种方式，综合传热系数1W/(mK)，太阳能得热系数0.5。双层皮幕墙按照室内室外的温度差别，调节室外空气进出风口的开
13、合。夏季室外空气经过热的玻璃表面加热后升温，在幕墙夹层形成热压通风，带走向室内传递的热量；冬季进风口、出风口关闭后，可减少向室内的冷风渗透。水平遮阳和垂直遮阳叶片宽度600mm，每个叶片均设置单独的自控系统，分别根据采光、视野、能量收集、太阳能集热的不同区域功能要求进行控制调节，实现冬季最大限度利用太阳能、夏季遮挡太阳辐射，同时满足室内自然采光的最佳设计。西北向采用300mm厚的轻质保温外墙，铝幕墙外饰面，传热系数0.35W/(m2K)。外窗采用双层中空玻璃，外设保温卷帘。相变蓄热活动地板示范楼的围护结构由玻璃幕墙、轻质保温外墙组成，热容较小，低热惯性容易导致室内温度波动大，尤其是在冬季，昼夜
14、温差会超过10C。为增加建筑热惯性，以使室内热环境更加稳定，示范楼采用了相变蓄热地板的设计方案。具体做法是将相变温度为2022C的定形相变材料放置于常规的活动地板内作为部分填充物，由此形成的蓄热体在冬季的白天可蓄存由玻璃幕墙和窗户进入室内的太阳辐射热，晚上材料相变向室内放出蓄存的热量，这样室内温度波动将不超过6C。活动地板架空层高度1.2m，空调风道、各类水管、电缆、综合布线等均隐藏在架空层内。保证室内干净整洁，而且不需要吊顶，房间净空高度大，有效利用空间多。植被屋面和光导采光系统为提高屋顶的隔热保温性能，同时改善生态与环境质量，采用植被屋面技术，结合防水及承重要求，选用喜光、耐干燥、根系浅的
15、低矮灌木和草皮，适合于北京地区气候特征。屋顶同时设置光导采光系统，利用太阳光为地下室提供采光，减少白天照明能耗。自然通风利用室内环境控制系统有限考虑被动方式，用自然手段维持室内热舒适环境。根据北京地区的气候特点，春秋两季可通过大换气量的自然通风来带走余热，保证室内较为舒适的热环境，缩短空调系统运行时间。利用热压通风和风压通风的结合，根据建筑结构形式及周围环境的特点，在楼梯间和走廊设置通风竖井，负责不同楼层的热压通风。在建筑顶端设计玻璃烟囱，利用太阳能强化通风。此外在建筑外立面合适部位设置开启扇，使得室外空气在风压通风的作用下可顺畅地贯穿流过建筑。湿度独立控制的新风处理方式超低能耗示范楼共设置4
16、台4000m3/h新风机组，通过溶液除湿设备的处理，可提供干燥的新风，用来消除室内的湿负荷，同时满足室内人员的新风要求。目前空调工程中采用的除湿方法基本上是冷冻除湿，这种方法首先将空气温度降低到露点以下，除去空气中的水分后再通过加热使空气温度回升，由此带来冷热抵消的高能耗。此外为了达到除湿要求的低露点，要求制冷设备产生较低的温度使得设备的制冷效率低，因而也导致高能耗。溶液除湿方式能够将除湿过程从降温过程中独立出来，利用较低品位能源进行除湿，同时减少显热冷负荷，不仅能够保证室内环境质量，而且能够降低空调能耗。此外为保证室内空气质量，要求有足够的新风，随之而来的新风负荷是空调系统高能耗的原因。示范
17、楼的新风机组同时可实现全热回收效率超过80%的高效热回收，可充分利用排风中的全热，同时保证新风不被排风污染。模块化的末端调节设备通过溶液除湿后的新风可带走室内的湿负荷，房间内的末端装置仅负责显热部分(冷冻水温度可采用18C)，按照干工况运行，不存在结露现象，彻底避免了潮湿表面滋长霉菌，恶化空气质量。示范楼内提供模块化的空调末端配置，根据房间实际使用功能灵活组合。办公室内人员密度低，人员工作时间及活动区域相对固定，个人的舒适要求不尽相同，采用冷辐射吊顶或者辐射墙来消除室内的基本显热负荷，溶液除湿后的新风通过置换通风来消除室内的基本湿负荷。工位送风则提供每个办公人员个人活动区域的送风，通过调节风口
18、角度、出风速度来满足自身的要求。示范楼内另一类房间为报告厅和会议室，室内人员密度高，散热散湿集中，单位面积冷负荷大，且使用时间不稳定。因此除冷辐射吊顶和置换通风外，采用仿自然风的动态风FCU来消除室内尖峰负荷。BCHP系统超低能耗楼采用固体燃料电池及内燃机热电联供系统，清洁燃料天然气作为能源供应，BCHP系统总的热能利用效率可达到85%，其中发电效率43%。基本供电由内燃机或者氢燃料电池供应，尖峰电负荷由电网补充。发电后的余热冬季用于供热，夏季则当作低温热源驱动液体除湿新风机组，用于溶液的再生。高温冷水机组或直接利用地下水配合独立湿度控制的新风机组，夏季冷冻水温度18C即可满足供冷的要求。采用
19、电制冷，冷冻机COP可达到9以上，高效节能。另一种方式更简单，就是直接利用地下水，超低能耗楼所在清华大学校园东区地表浅层水温基本稳定在5C，单口井出水量可达70m3/h，完全能够满足示范楼的供冷要求。地下水通过板式换热器换热后全部回灌，仅利用土壤中蓄存的冷量，不会造成地下水资源的流失。太阳能利用超低能耗楼南侧立面装有30m2的光伏玻璃，发电用于驱动玻璃幕墙开启扇和遮阳百叶。屋顶设有太阳能集热器，所获得的热量用于除湿系统的溶液再生。此外屋面还装有太阳能高温热发电装置，该系统为抛物面碟式双轴跟踪聚焦，峰值发电功率3kW。智能化的控制系统控制系统自动采集室外的日照情况，根据不同的朝向方位，调节遮阳百
20、叶的状态，同时根据室外气象参数，决定外窗、热压通风风道、双层皮幕墙进出风口的开闭。控制系统采集工作区各点的照度数据，调节百叶的角度和人工照明的灯具。室内的新风量根据房间内的CO2浓度和湿度来调节。其余能源设备、水泵、太阳能装置等均根据负荷情况自动调节。实时测量系统在示范楼屋顶布置气象参数测点，测量数据包括室外温度、湿度、风速、太阳辐射强度。围护结构的测试包括各玻璃、窗框、遮阳百叶、保温墙体的表面温度、热流。环境控制系统和能源系统的测试包括各设备的运行参数，如冷辐射吊顶表面温度、送回风温度湿度、盘管出水温度、溶液除湿系统的溶液浓度等。太阳隔热膜许多现代建筑都采用玻璃幕墙、大玻璃和落地玻璃门(阳台
21、)，这种情况在改善房间景观的同时，却使传入室内的太阳辐射热量增多，增加了房间空调的用电。空调是建筑能耗中的第一杀手，空调能耗已经占到建筑能耗的20%50%。太阳隔热膜具有隔热节能、抗紫外线、美观舒适、安全防爆等功能，有效便捷地解决了玻璃带来的很多问题。现代太阳膜生产技术中，往往是通过真空喷镀或磁控溅射技术将铝、金、铜、银等金属制成多层致密的高隔热金属膜层。金属材料中的外壳层电子(自由电子)一般没有被原子核束缚，当被光波照射时，光波的电场使自由电子吸收光的能量而产生与光相同频率的振荡，此振荡又放出与原来光波相同频率的光，称为光的反射。金属的导电系数愈高，穿透深度愈浅，反射率愈高。这些金属层会选择
22、性地将阳光中的各种热能源，包括红外线、紫外线及可见光热能反射回去，配合膜上的颜色对太阳热辐射的吸收后，再二次向外释放，随着室外的空气流动带走一部分热量，从而有效起到隔热的作用。防晒隔热漆防晒隔热漆是一种新型高科技涂料，无毒环保，适用于锌铁瓦面、塑料瓦面、混凝土楼面、储罐等一切需隔绝来自太阳辐射热的物体表面。防晒隔热漆的特性有:(1)隔热效果理想，经实践证明，正常晴天气温在32C以上，涂上隔热漆的室内气温同没有做过隔热处理的车间相比，可相差38C，屋面温差1025C，气温越高隔热效果越明显。(2)能防水、防漏，防止太阳辐射热对被涂物体的破坏，可从根本上解决混凝土楼面因热胀冷缩产生裂缝的痼疾。(3
23、)漆膜光泽细腻，保光、保色性好，附着力强，施工简易。民用建筑热工设计规范民用建筑热工设计规范(GBT50176-2016)，是2016年8月18日由中华人民共和国住房和城乡建设部标准定额研究所组织中国建筑工业出版社出版发行，是中华人民共和国国家标准，自2017年4月1日起实施。其中，第4.2.11、6.1.1、6.2.1、7.1.2条为强制性条文，必须严格执行。原民用建筑热工设计规范(GB50176-93)同时废止。该规范的主要技术内容是:1.总则；2.术语和符号；3.热工计算基本参数和方法；4.建筑热工设计原则；5.围护结构保温设计；6.围护结构隔热设计；7.围护结构防潮设计；8.自然通风设计；9.建筑遮阳设计。该规范修订的主要技术内容是:1.细化了热工设计分区；2.细分了保温、隔热设计要求；3.修改了热桥、隔热计算方法；4.增加了透光围护结构、自然通风、遮阳设计的内容；5.补充了热工设计计算参数。根据建筑热工设计的原则，以最冷月(1月)和最热月(7月)平均温度作为分区主要指标，以累年日平均温度不大于5C和不小于25C的天数作为辅助指标，将全国划分为五个地区:严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖和温和地区。五个地区的建筑热工设计都有明确的设计原则。建筑热工设计一级区划指标及设计原则
